DE1002568B

DE1002568B - Hot air machine

Info

Publication number: DE1002568B
Application number: DEN6681A
Authority: DE
Inventors: Theodor Finkelstein; Harold Heywood
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1952-02-08
Filing date: 1953-01-30
Publication date: 1957-02-14

Description

Heißluftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf eine Heißluftmaschine, welche mit einem regenerativen Luftzyklus in einem heißen und einem kalten Raum, Regenerator, Erhitzer und Kühler sowohl als Kraftmaschine als auch mit Fremdantrieb als Wärmepumpe oder Kältemaschine arbeitet.Hot air machine The invention relates to a hot air machine, which with a regenerative air cycle in a hot and a cold room, Regenerator, heater and cooler both as a prime mover and with an external drive works as a heat pump or chiller.

Arbeitet die Heißluftmaschine als Kraftmaschine, ist der Durchgang des Arbeitsmittels durch den Erhitzer wichtig, bevor es den heißen Raum betritt, um es auf die höhere Betriebstemperatur zu bringen. Aber bei seiner Rückkehr aus dem heißen Raum zum Regenerator ist dieser Durchgang durch den Erhitzer nachteilig. Es tritt hierbei ein unnötiger Wärmeaustausch auf. Außerdem wird die Leistung durch den Druckabfall vermindert, welcher durch das Hindurchgehen des Arbeitsmittels durch den Erhitzer entsteht.If the hot air machine works as a prime mover, there is passage of the working fluid through the heater is important before it enters the hot room, to bring it to the higher operating temperature. But on his return from this passage through the heater is disadvantageous for the hot space to the regenerator. An unnecessary heat exchange occurs here. In addition, the performance is through reduces the pressure drop caused by the passage of the working medium the heater is created.

Arbeitet die Heißluftmaschine als Wärmepumpe oder Kältemaschine, so gilt das gleiche. Auch hier ist es wichtig, d@aß das Arbeitsmittel den Kühler nur einmal während des Zyklusses und immer in der gleichen Richtung betritt.If the hot air machine works as a heat pump or refrigeration machine, so the same applies. Here, too, it is important that the working fluid only ate the cooler once during the cycle and always in the same direction.

Es wird. infolgedessen gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß eine den Erhitzer umgehende Verbindung zwischen dem heißen Raum und dem Regenerator derart vorgesehen ist, daß das vom Regenerator zum heißen Raum und zurück zum Regenerator strömende Arbeitsmittel den Erhitzer nur einmal durchfließt und, daß eine den Kühler umgehende Verbindung zwischen denn kalten Raum und dem Regenerator derart vorgesehen ist, daß -das vom Regenerator zum kalten Raum und zurück strömende Arbeitsmittel den Kühler nur einmal durchfließt.It will. consequently proposed according to the invention that a the heater direct connection between the hot space and the regenerator in this way it is provided that the from the regenerator to the hot room and back to the regenerator flowing working medium flows through the heater only once and that one flows through the cooler immediate connection between the cold room and the regenerator is provided in this way is that -the working fluid flowing from the regenerator to the cold room and back flows through the cooler only once.

Bekannt ist bei Heißluftmaschinen ein Umgehungsweg von einem Arbeitsraum zu einem Hilfsraum für einen anderen Zweck.A bypass route from a work space is known in hot air machines to an auxiliary room for another purpose.

Der Arbeitszyklus für eine Heißluftmaschine gemäß der Erfindung ist folgender: Der Durchgang des Arbeitsmittels aus dem Regenerator durch den Erhitzer in den heißen Raum; aus dem heißen Raum unmittelbar in den Regenerator; aus dem Regenerator durch den Kühler in den kalten Raum; aus dem kalten Raum unmittelbar in den Regenerator. Derselbe Prozeß wird für den nächsten Zyklus wiederholt.The working cycle for a hot air machine according to the invention is the following: The passage of the working fluid from the regenerator through the heater in the hot room; from the hot room directly into the regenerator; from the Regenerator through the cooler into the cold room; from the cold room directly in the regenerator. The same process is repeated for the next cycle.

Dieser Zyklus umfaßt für die MT ärmepumpen und Kälteapparate die gleichen Stufen, aber in der umgekehrten Reihenfolge, nämlich: aus dem Regenerator unmittelbar in den heißen Raum; aus dem heißen Raum durch den Erhitzer in den Regenerator; aus dem Regenerator unmittelbar in den kalten Raum; aus dem kalten Raum durch den Kühler in den Regetterator, worauf die Reihenfolge für den nächsten Zyklus wiederholt wird. Als praktisches Beispiel für die in Frage kommenden Temperaturen bei krafterzeugenden Maschinen sei erwähnt, daß der heiße. Raum ungefähr 400° C und der kalte Raum ungefähr 50° C aufweisen kann, während bei einer Wärmepumpe oder Kühlapparat die Temperatur des heißen Raumes ungefähr 50° C und die Temperatur des kalten Raumes ungefähr minus 20° C betragen kann.This cycle includes the same for the MT heat pumps and refrigerators Stages, but in the reverse order, namely: from the regenerator directly in the hot room; from the hot room through the heater to the regenerator; the end the regenerator directly into the cold room; from the cold room through the cooler into the Regetterator, whereupon the sequence is repeated for the next cycle. As a practical example of the temperatures in question for force-generating Machines should be mentioned that the hot one. Room about 400 ° C and the cold room about 50 ° C, while with a heat pump or cooling device the temperature of the hot room about 50 ° C and the temperature of the cold room about minus Can be 20 ° C.

Bei praktischen Ausführungen können die Umgehungsmittel selbsttätig gesteuerte Ventile sein, die von einfacher Konstruktion sind, weil ein leichtes Lecken keine großen Folgen für den thermodynamischen Zyklus hat. Auch wenn -die Ventile geschlossen sind, ist der Druckunterschied an ihnen nur der Druckabfall am Erhitzer oder dem Kühler, der durch aerodynamische Reibung entsteht. Infolgedessen können für diesen Zweck einfache Klappenventile benutzt werden.In practical versions, the bypass means can be automatic be controlled valves which are of simple construction because they are light Leakage does not have a major impact on the thermodynamic cycle. Even if the Valves are closed, the pressure difference across them is just the pressure drop on the heater or cooler caused by aerodynamic friction. Consequently simple flap valves can be used for this purpose.

Gemäß einem untergeordneten Merkreal der Erfindung können bei praktischen Ausführungen die Eingänge für das Arbeitsmittel zu den heißen. und. kalten Räumen der Zylinder Rückschlagventile aufweisen, so da.ß das Arbeitsmittel nach seinem Durchgang durch den Erhitzer bzw. Kühler in den erforderlichen Zylinder gelangt.According to a subordinate feature of the invention, practical Versions the inputs for the work equipment to the hot. and. cold rooms the cylinder have check valves, so that the working fluid according to his Passage through the heater or cooler enters the required cylinder.

Die Erfindung kann sowohl je nach den Erfordernissen für eine Konstruktion mit einem Zylinder oder mehreren Zylindern, mit einem Zyklus oder mehreren Zyklen in Frage kommen.The invention can both depending on the requirements for a construction with one cylinder or several cylinders, with one cycle or several cycles come into question.

An Hand der Zeichnungen, die schematische Darstellungen bringen, wird einAusführungsbeispiel der Erfindung erläutert. Fig. 1 ist ein schematischer Aufriß einer einfachen Maschine mit einem einzigen Zyklus gemäß der Erfindung; Fig. 2 ist ein Aufriß teilweise im Schnitt und teilweise mit weggebrochenen Teilen eines Teiles einer anderen Maschine gemäß der Erfindung; Fig. 3 ist eine Draufsicht der Fig. 2; der obere Teil der linken Seite ist eine Draufsicht von oben, der untere Teil der linken Seite eine Draufsicht von unten, der obere Teil der rechten Seite ist ein Schnitt :zach der Linie A-A der Fig. 2, und der untere Teil der rechten Seite ist ein Schnitt nach der Linie B-B; Fig. 4 ist ein Querschnitt durch einen Regenerator der Ausführungsform der Fig. 2 und 3 nach der Linie C-C der Fig. 2, wobei die Teile in vergrößertem Maßstabe gezeigt sind; Fig.5 zeigt in einem viel größeren Maßstab ein Umgehungsventil der Maschine der Fig.2 und 3; Fig. 6 ist ein Schnitt nach der Linie D-D der Fig. 5. Gemäß dem besonders einfachen Ausführungsbeispiel der Erfindung nach der Fig. 1 sind zwei Zylinder 7 und 8 vorgesehen. Sie sind V-förmig angeordnet. Ihre Zylinderachsen sind zueinander ungefähr in einem Winkel von 100° geneigt. Die Pleuelstangen 9 und 10 der einfach wirkenden Kolben 11 und 12 sind miteinander durch die Kurbelwelle 13 verbunden. Die Wände des einen Zylinders 7 sind bei 14 für Erwärmungszwecke ummantelt. An seinem Kopf befindet sich ein Erhitzerraum 15 zwischen den Teilen 16 und 17. Hierdurch wird der heiße Raum 18 des Zylinders 7 auf der höheren Arbeitstemperatur gehalten. Ebenso ist auch der Zylinder 8 bei 19 für Kühlungszwecke ummantelt und hat an seinem Kopf einen Kühlraum 20 zwischen den Teilen 21 und 22, wodurch der Kühlrauen 23 des Zylinders 8 auf der niedrigeren Arbeitstemperatur gehalten wird.On the basis of the drawings that provide schematic representations an embodiment of the invention explained. Fig. 1 is a schematic Front view of a simple, single cycle machine in accordance with the invention; Fig. Figure 2 is an elevation, partly in section and partly with parts broken away, of one Part of another machine according to the invention; 3 is a top plan view of FIG Fig. 2; the upper part of the left side is a top plan view, the lower part Part of the left side is a plan view from below, the upper part of the right side is a section: along line A-A of Fig. 2, and the lower part of the right Side is a section along line B-B; Fig. 4 is a cross section through a Regenerator of the embodiment of Figs. 2 and 3 along the line C-C of Fig. 2, the parts being shown on an enlarged scale; Fig.5 shows a lot larger scale a bypass valve of the machine of Figures 2 and 3; Fig. 6 is a Section along the line D-D of FIG. 5. According to the particularly simple embodiment of the invention according to FIG. 1, two cylinders 7 and 8 are provided. They are V-shaped arranged. Their cylinder axes are at an angle of approximately 100 ° to each other inclined. The connecting rods 9 and 10 of the single-acting pistons 11 and 12 are connected to each other by the crankshaft 13. The walls of one cylinder 7 are sheathed at 14 for heating purposes. There is a heater room at its head 15 between parts 16 and 17. This creates the hot space 18 of the cylinder 7 kept at the higher working temperature. The cylinder 8 is also at 19 encased for cooling purposes and has a cooling space 20 between at its head the parts 21 and 22, whereby the cooling roughness 23 of the cylinder 8 on the lower Working temperature is maintained.

Irgendeine geeignete Flüssigkeit mit der geeigneten Temperatur, z. B. 300° C, kann zum Hindurchführen durch die Räume 17 und 18 in einer gewöhnlichen, bekannten und bewährten Weise benutzt werden.. Die Konstruktion kann auch so abgeändert werden, daß ein dauerhaftes Gas in Anwendung kommen kann, so daß höhere Temperaturen benutzt werden können. In gleicher Weise kann irgendein geeignetes Kühlmittel durch die entsprechenden Räume auf der Kühlseite fließen.Any suitable liquid at the appropriate temperature, e.g. B. 300 ° C, can be passed through the rooms 17 and 18 in a normal, known and proven way. The construction can also be modified in this way be that a permanent gas can be used, so that higher temperatures can be used. In the same way, any suitable coolant can pass through the corresponding spaces on the cooling side flow.

24 ist der Regenerator von irgendeiner geeigneten Form (ein Beispiel wird nachher beschrieben). Er ist mit dem Erhitzer 15 und dem Kühler 20 in einer gewöhnlichen Weise verbunden. Der Au.slaß aus dem heißen Raum 18 des Zylinders 7 wird jedoch durch ein Rückschlagventi125 gesteuert. Das Ventil 25 stellt das Umgehungsmittel dar, wodurch das Arbeitsmittel aus- dem heißen Raum in den Regenorator gelangen kann, ohne durch den Erhitzer 15 zu fließen, wenn das Volumen des heißen Raumes abnimmt. Das Ventil 25 ist aber für den Eintritt des Arbeitsmittels in den heißen Raum geschlossen., bis dieses durch den Erhitzer 15 geführt ist, wenn das Volumen des heißen Raumes anwächst.24 is the regenerator of any suitable shape (an example is described below). It is connected to the heater 15 and the cooler 20 in an ordinary manner. The outlet from the hot space 18 of the cylinder 7 is, however, controlled by a check valve. The valve 25 represents the bypass means, whereby the working medium can get from the hot space into the regenerator without flowing through the heater 15 when the volume of the hot space decreases. The valve 25 is closed for the entry of the working medium into the hot room, until it is passed through the heater 15 when the volume of the hot room increases.

In gleicher Weise ist der Auslaß an der Kühlseite durch ein Rückschlagventi126 gesteuert, um das Arbeitsmittel aus dem Zylinder 8 unter Umgehung des Kühlers 20 direkt in den Regenorator 24 zu führen. Wenn auch nicht notwendig, kann der Eingang zum Zylinder 7 durch ein Ventil 27 und ebenso auch der Eingang zum Zylinder 8 durch ein Ventil 28 gesteuert werden.In the same way, the outlet on the cooling side is through a non-return valve controlled to remove the working fluid from the cylinder 8 by bypassing the cooler 20 to lead directly into the regenerator 24. If not necessary, the entrance can to the cylinder 7 through a valve 27 and also the inlet to the cylinder 8 through a valve 28 can be controlled.

Bei einem Arbeitszyklus fließt das Arbeitsmittel durch den Erhitzer 15, um in den heißen Raum 18 aus dem Regenerator 24 über ein Ventil 27 zu gelangen, wenn ein solches vorgesehen ist. Bei der darauffolgenden Abwärtsbewegung des Kolbens 11 und bei seinem Rückgang kann das Arbeitsmittel nicht durch den Erhitzer 15 fließen, wenn ein Ventil 27 vorgesehen ist, gelangt aber durch das Rückschlagventil25, um aus dem heißen Raum 18 in den Regenerator 24 zu kommen. Ist ein Ventil 27 nicht vorgesehen, so wird die aerodynamische Reibung in dem Erhitzer das meiste Arbeitsmittel zwingen, durch das Ventil 25 zu fließen, anstatt durch den Erhitzer hindurchzugehen. Ohne die genauen Einzelheiten zu wiederholen, ist es klar, däß der gleiche Vorgang für die Strömung vom Kühlraum 20 zum Regenerator. und umgekehrt zutrifft.During a working cycle, the working medium flows through the heater 15 in order to get into the hot space 18 from the regenerator 24 via a valve 27, if one is provided. During the subsequent downward movement of the piston 11 and its retraction, the working medium cannot flow through the heater 15 if a valve 27 is provided, but passes through the check valve 25 to get from the hot space 18 into the regenerator 24. If valve 27 is not provided, aerodynamic friction in the heater will force most of the working fluid to flow through valve 25 instead of going through the heater. Without repeating the exact details, it is clear that the same process is used for the flow from the cold room 20 to the regenerator. and vice versa applies.

In einigen Fällen können die Umgehungsventile z. B. 25 und 26, anstatt daß sie an den Zylinderenden liegen, in einigem Abstand hiervon angeordnet werdien, so daß sie einen Eintritt in den Regenerator 24 etwas ab vom Eintritt und Ausgang der Zylinder bilden.In some cases the bypass valves may e.g. B. 25 and 26 instead that they lie at the cylinder ends, are arranged at some distance from them, so that they have an entry into the regenerator 24 somewhat from the entry and exit the cylinder form.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 6 hat man für die Maschine eine Zylinderanordnung mit zwei Kolben 29 und 30, deren Achsen parallel laufen. Die Maschine arbeitet in zwei Zyklen. Der Zylinder rechts hat heiße Räume 31 und 32 auf jeder Seite des Kolbens, und der Zylinder links hat kalte Räume 33 und 34 ebenfalls auf jeder Seite des Kolbens.In the embodiment of FIGS. 2 to 6 one has for the machine a cylinder arrangement with two pistons 29 and 30, the axes of which are parallel. The machine works in two cycles. The cylinder on the right has hot spaces 31 and 32 on each side of the piston, and the cylinder on the left has cold spaces 33 and 34 also on each side of the piston.

Der heiße Raum 31 auf der einen Seite des Kolbens 29 des einen Zvlinders ist mit dem Kolbenraum 33 auf der einen Seite des Kolbens 30 des anderen Zylinders über einen Regenerator 35, Erhitzer 36 auf der einen Seite, der noch ausführlicher beschrieben wird, und einem Kühler 37 auf der anderen Seite ver- , bunden. In gleicher Weise ist der heiße Raum 32 auf der anderen Seite des Kolbens 29 mit dem Kolbenrauen 34 auf der unteren Seite des zweiten Kolbens 30 über einen Regenerator 38, Erhitzer 39 und Kühler 40 verbunden.The hot space 31 on one side of the piston 29 of one cylinder is with the piston chamber 33 on one side of the piston 30 of the other cylinder via a regenerator 35, heater 36 on one side, which is more detailed is described, and connected to a cooler 37 on the other side. In the same Way is the hot space 32 on the other side of the piston 29 with the piston roughness 34 on the lower side of the second piston 30 via a regenerator 38, heater 39 and cooler 40 connected.

Bei dieser Konstruktion besteht der Regenera,tor aus aufeinanderfolgenden, dünnen Führungsplatten 41 und 42. Die erste Platte hat eine Wellen- oder Dreieckform, wie in Fig. 4 gezeigt, während die zweite Platte flach ist. Auf diese Weise hat man eine große Menge von Durchgängen 43 längs dem Regenerator. In der Fig. 4 sind die Wellenplatten 41 sowohl in ihrer Dicke, Abstand und sonst sehr übertrieben dargestellt. Mit anderen Worten, in der Tiefe des Regenorators gibt es sehr viel mehr solcher Platten, als auch Platten 42, deren Dicke ebenfalls übertrieben groß gezeigt ist. Somit sind im Gesamtergebnis die Regenerations-Absorptionsflächen in einem weitaus größerem. Maße vervielfacht, als dies in der Fig.4 gezeigt ist.In this construction, the regenerator consists of successive, thin guide plates 41 and 42. The first plate has a wave or triangle shape, as shown in Fig. 4 while the second plate is flat. That way has one has a large number of passages 43 along the regenerator. In Fig. 4 are the wave plates 41 shown both in their thickness, spacing and otherwise very exaggerated. In other words, there are many more in the depth of the regenerator Plates, as well as plates 42, the thickness of which is also shown exaggerated. Thus, in the overall result, the regeneration absorption areas are by far bigger. Dimensions multiplied than shown in Fig.4.

Der Erhitzer 36, wie er vorliegend im oberen Teil der Fig. 2 gezeigt ist (einen gleichen Erhitzer gibt es auch im unteren Teil), besteht aus einem Hauptraum 44 von Segmentform (er umschließt fast einen Halbkreis) mit Köpfen 45 und 46. Rohrleitungen 47 erstrecken sich in einer erforderlichen Anzahl zwischen den Köpfen. Sie tragen in Abstand stehende Platten 48, derart, d9,13 der Hauptraum direkt mit dem Regenorator in Verbindung steht, während der Kopf 45 die Heizflüssigkeit durch einen Einlaß 49 erhält. Im Falle des Kühlers 37 wird ein Kühlmittel eingeführt. Die Konstruktion des Kühlers 37 ist der beim Erhitzer beschriebenen ähnlich.The heater 36 as shown here in the upper part of FIG is (there is also the same heater in the lower part), consists of a main room 44 of segment shape (it almost encloses a semicircle) with heads 45 and 46. Pipelines 47 extend between the heads in a required number. they wear spaced panels 48, such that d9,13 the main room directly with the regenerator is in communication, while the head 45 the heating liquid through an inlet 49 receives. In the case of the cooler 37, a coolant is introduced. The construction of the cooler 37 is similar to that described for the heater.

Die Heizflüssigkeit geht durch die Rohrleitungen 47 und gibt ihre Wärme durch die in Abstand stehenden Platten 48 in der Hauptsache weiter, so daß das zwischen den in Abstand stehenden Platten 48 fließende Arbeitsmittel die N@'ärme von den Platten aufnimmt, bevor es durch die Einlässe 50 (einer hiervon ist in Fig. 3 gezeigt) in den heißen Raum 31 gelangt.The heating fluid goes through the pipes 47 and gives their Heat through the spaced plates 48 in the main continues, so that the Working fluid flowing between the spaced-apart plates 48 picks up the N @ 'arms from the plates before passing it through the inlets 50 (one of them is shown in FIG. 3) enters the hot space 31.

Auf der unteren Seite des Kolbens 29 findet der gleiche Vorgang durch den Erhitzer 39 und den Regenerator 38 statt.The same process takes place on the lower side of the piston 29 the heater 39 and the regenerator 38 instead.

Die Wirkung von den Kolbenräumen 33 und 34 ist über die Kühler 37 und 40 und die Regeneratoren 35 und 38 umgekehrt.The effect of the piston chambers 33 and 34 is via the cooler 37 and 40 and regenerators 35 and 38 vice versa.

Gemäß der Erfindung ist bei der Maschinenanordnung der Fig. 2 und 3 jeder heiße und kalte Raum mit einem Rückschlagventil ausgestattet. Es bildet einen Umgehungsweg, damit der Ausgang des Arbeitsmittels von den heißen Räumen zu den Regeneratoren und der Ausgang des Arbeitsmittels von den kalten Räumen ebenfalls zu den Regeneratoren führen kann. F_in solches Ventil ist bei 51 in den Fig.2 und 3 gezeigt.According to the invention, in the machine arrangement of FIGS. 2 and 3 each hot and cold room is equipped with a check valve. It educates a bypass route so that the outlet of the working fluid from the hot rooms to the regenerators and the outlet of the working fluid from the cold rooms as well can lead to the regenerators. F_in such a valve is at 51 in Figures 2 and 3 shown.

In den Fig. 5 und 6 ist gezeigt, wie Zungen- oder Klappenventile 52 die Öffnungen 53 abdecken. Sie sind so leicht, daß sie sich bei der Rückkehr der Kolben öffnen, wodurch das Arbeitsmittel einen Umgehungsweg erhält und sein Durchgang durch den Erhitzer bzw. Kühler vermieden wird.FIGS. 5 and 6 show how reed or flap valves 52 cover the openings 53. They are so light that they will find themselves upon the return of the Open the piston, giving the working fluid a bypass route and its passage is avoided by the heater or cooler.

Außer den verschiedenen Hauptteilen haben die Heißluftmaschinen, die Wärmepumpen oder Kältemaschinen gemäß der Erfindung noch andere gewöhnliche Teile, z. B. Mittel für die Zuführung oder Ableitung der Wärme, Hilfspumpen zur Erhöhung der Hauptarbeitsdrücke und andere konstruktive Einzelheiten. Die Erfindung ist nicht auf die genauen Formen oder Einzelheiten der Konstruktion, wie dargelegt, begrenzt. Sie können entsprechend den besonderen Forderungen geändert werden.Besides the various main parts, the hot air machines have that Heat pumps or chillers according to the invention and other common parts, z. B. Means for supplying or removing heat, auxiliary pumps for increasing the main working pressures and other constructive details. The invention is not limited to the precise forms or details of construction as set forth. They can be changed according to the special requirements.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Hot air machine, which with a regenerative Air cycle in a hot and a cold room, regenerator, heater and cooler both as a prime mover and with an external drive as a heat pump or refrigeration machine works, characterized in that a connection between the heater bypassing the hot room and the regenerator is provided in such a way that the regenerator Working fluid flowing to the hot room and back to the regenerator passes through the heater flows through only once and that a connection between the cooler bypassing the cold room and the regenerator is provided so that the regenerator to cold room and working medium flowing back through the cooler only once.

2. Hot air machine according to claim 1, characterized in that the hot and cold Space each have two automatic valves for controlling the inlet and outlet.

3. Hot air machine according to claim 2, characterized in that the valves are easy are loaded flap or reed valves. Considered publications: German patent specifications No. 804 624, 807 569.